基于超寬帶技術(shù)的車輛智能裝載導(dǎo)引系統(tǒng)

胡淦 馬玉坤 馬欣然 孫艷鵬 劉寧

摘 要：為滿足重型車輛鐵路運(yùn)輸日益增長(zhǎng)的需求，解決現(xiàn)有裝運(yùn)方式存在的問(wèn)題，本文基于超寬帶定位技術(shù)設(shè)計(jì)了一種低成本、高效率的裝載引導(dǎo)系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠有效彌補(bǔ)原有人工引導(dǎo)裝載方式的局限性和作業(yè)效率低下的不足，通過(guò)布置基站和標(biāo)簽掌握待裝車輛與鐵路平車相對(duì)位置信息，為待裝車輛駕駛員提供車輛偏差信息，實(shí)現(xiàn)車輛安全、快速、精確裝車，從而提高鐵路裝卸效率，降低裝卸現(xiàn)場(chǎng)安全隱患，提升鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。本文還對(duì)系統(tǒng)定位算法和UWB測(cè)距算法進(jìn)行了優(yōu)化，降低了整體成本提高了定位測(cè)量精確性。

關(guān)鍵詞：超寬帶;重型汽車;定位;測(cè)距

中圖分類號(hào)：TN925 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

我國(guó)鐵路運(yùn)輸因其相對(duì)較低的運(yùn)輸成本、巨大的運(yùn)輸能力、準(zhǔn)確的到發(fā)時(shí)間、高可靠性、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，成為內(nèi)陸貨物運(yùn)輸?shù)闹匾侄?。?guó)內(nèi)各商用車主機(jī)廠生產(chǎn)完成的成品重型汽車也經(jīng)常會(huì)采用鐵路平車運(yùn)輸?shù)姆绞竭M(jìn)行批量運(yùn)輸，重型汽車裝載加固要求高，裝載難度大，受限于車輛高度和寬度，部分車輛尺寸會(huì)接近限界，某些車型寬度接近鐵路平車寬度，裝載過(guò)程中很容易對(duì)位不準(zhǔn)，有時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)車輛掉落的情況。

目前重型汽車主要通過(guò)人工提示導(dǎo)引的方式進(jìn)行裝載。每輛待裝車均通過(guò)高站臺(tái)與尾端平車相連的渡板駛上平車，并從列尾端向前行駛，直至到列達(dá)指定的平車既定位置停止。為保證車輛裝載過(guò)程中不偏離中線，需要數(shù)名輔助導(dǎo)引員同時(shí)指引駕駛員駕駛，效率低下且耗費(fèi)人力，遇到夜間裝車情況，待裝車輛還需關(guān)閉大燈，由引導(dǎo)員用手電筒照亮指引，裝載效率和可靠性大大降低。

針對(duì)重型車輛裝載存在的問(wèn)題，本文提出了一種基于超寬帶技術(shù)的重型汽車鐵路運(yùn)輸裝載定位系統(tǒng)，用以代替人工引導(dǎo)，為待裝車駕駛員提供車輛位置及偏離信息，實(shí)現(xiàn)車輛安全、快速、精確裝車，從而提高鐵路裝卸效率，降低裝卸現(xiàn)場(chǎng)安全隱患，提升鐵路運(yùn)輸服務(wù)質(zhì)量。

1 超寬帶（UWB）測(cè)距原理

超寬帶無(wú)線技術(shù)（Ultra Wideband，UWB）電磁波的一種，真空下傳播速度與光速相同，最早應(yīng)用于軍用雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，于2002年被FFC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）批準(zhǔn)民用，此后獲得了快速發(fā)展。由于UWB具備信息容量大、測(cè)距精度高、抗干擾性能強(qiáng)以及發(fā)送功率小等優(yōu)點(diǎn)被人們廣泛關(guān)注，成為一種新興的測(cè)距定位技術(shù)，其電磁波輻射對(duì)人體的影響也很小。

UWB的測(cè)距方法是通過(guò)測(cè)量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)與固定節(jié)點(diǎn)傳播的時(shí)間信息以求出距離，主要采用飛行時(shí)間（Time Of Flight，TOF）、到達(dá)時(shí)間差（Time difference of Arrival，TDOA）兩種測(cè)距方式。TDOA定位需要精確的時(shí)鐘同步，分為有線時(shí)鐘同步和無(wú)線時(shí)鐘同步兩種方式，有線時(shí)鐘同步需要設(shè)計(jì)同步信號(hào)裝置，無(wú)線時(shí)鐘同步需要設(shè)計(jì)時(shí)鐘同步算法，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。而TOF定位采用雙向雙邊測(cè)距測(cè)量標(biāo)簽到多個(gè)基站距離，基站無(wú)需時(shí)鐘同步。

2 裝載定位系統(tǒng)構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)整體方案

本方案中，每列車的頭車前端需固定兩個(gè)基站，兩基站均位于平車中心面上，每個(gè)運(yùn)輸車輛車頭固定兩個(gè)標(biāo)簽，兩標(biāo)簽沿運(yùn)輸車輛中心面對(duì)稱。若要保持運(yùn)輸車輛沿中線行駛不偏移，則需保持各基站與每個(gè)標(biāo)簽的實(shí)時(shí)距離分別相等，即保持基站和兩標(biāo)簽三點(diǎn)相連的三角形始終為等腰三角形。當(dāng)車輛發(fā)生偏移時(shí)，由基站間距、標(biāo)簽間距以及標(biāo)簽與倆基站的距離值可得到運(yùn)輸車輛與板車中心線的偏移量。

2.2 定位系統(tǒng)構(gòu)成

定位系統(tǒng)主要由2個(gè)固定基站（Mbs）、2個(gè)可移動(dòng)標(biāo)簽（Tag）、一個(gè)解算計(jì)算機(jī)以及一個(gè)平板電腦構(gòu)成。

（1）基站（Mbs）。定位系統(tǒng)的兩個(gè)基站固定放置在車列的車頭位置，基站集成了UWB定位模塊、電源模塊以及無(wú)線傳輸模塊。基站的UWB信號(hào)收發(fā)模塊在接收到標(biāo)簽發(fā)送的UWB信號(hào)后將信號(hào)轉(zhuǎn)換位數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線模塊傳送給解算計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理。

（2）標(biāo)簽?zāi)K（Tag）。標(biāo)簽像基站一樣集成了定位、電源以及無(wú)線模塊，標(biāo)簽與基站實(shí)時(shí)通訊，將距離數(shù)據(jù)發(fā)送給基站，從而實(shí)現(xiàn)位置解算。

（3）解算計(jì)算機(jī)。接收基站發(fā)送的原始數(shù)據(jù)，并將經(jīng)過(guò)解算得到車輛位置和中心偏離值發(fā)送給平板電腦端顯示。

（4）平板電腦。是定位系統(tǒng)與駕駛員的交互端，與解算計(jì)算機(jī)通過(guò)局域網(wǎng)實(shí)時(shí)通信，用于顯示汽車偏離數(shù)據(jù)，輔助駕駛員駕駛。

3 系統(tǒng)定位算法

超寬帶定位系統(tǒng)一般至少需要四個(gè)基站才能三維空間內(nèi)標(biāo)簽的定位，本論文提出的定位策略對(duì)定位算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化，用兩個(gè)基站即可實(shí)現(xiàn)測(cè)偏差功能，減小了計(jì)算量降低了成本。

圖2中，、為兩基站位置，、為車頭倆標(biāo)簽位置兩基站、間距與兩標(biāo)簽與間距為已知固定值，與間距、與間距、與間距、與間距為實(shí)時(shí)測(cè)量值，兩基站、均位于平車中心線上，標(biāo)簽與放置于車頭兩端，延車輛縱向中心面對(duì)稱，為與連線中點(diǎn)。、分別為兩標(biāo)簽與基站連線與平車中心線夾角。

4 基于對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法減小誤差

UWB測(cè)距精度決定了整個(gè)系統(tǒng)定位精度，而時(shí)鐘漂移引起的誤差是主要誤差，因此需要通過(guò)算法來(lái)減小誤差。

UWB定位系統(tǒng)最簡(jiǎn)單的測(cè)距方式是單程測(cè)距，但是這對(duì)節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)鐘同步要求極其嚴(yán)格，而基站和標(biāo)簽間有各自本地時(shí)鐘，無(wú)法保證時(shí)間同步。雙程測(cè)距雖能消除節(jié)點(diǎn)之間未能完全同步的影響，但無(wú)法消除晶振時(shí)鐘漂移的影響。對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距，可以消除晶振時(shí)鐘漂移的影響，這樣大大降低了定位的實(shí)時(shí)性。在此采用對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法來(lái)減小時(shí)鐘漂移誤差。

對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距示意圖如圖所示，圖中，A和B是一對(duì)基站和標(biāo)簽，A收到響應(yīng)后，經(jīng)過(guò)時(shí)間TA向B發(fā)送信息，B收到信息后經(jīng)過(guò)TB向A發(fā)送信息，A、B設(shè)備發(fā)送和收到信息時(shí)間差分別為Troud1、Troud2。

由此可得，通過(guò)對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法使得時(shí)鐘漂移引起的誤差減半了。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于超寬帶測(cè)距技術(shù)設(shè)計(jì)了一套適用于重型汽車鐵路運(yùn)輸?shù)难b載定位系統(tǒng)，基于應(yīng)用條件簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)超寬帶定位的基站配置，通過(guò)對(duì)稱雙邊雙向測(cè)距算法減小誤差提升系統(tǒng)精確度，為重型車輛鐵路運(yùn)輸裝載提供了新思路。

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